摘 要

本文以一艘近海37 000 DWT的散货船（以下简称“本船”）船体结构作为研究对象。首先依据中国船级社《钢质海船入级规范2015》（以下简称《规范》）对全船结构进行规范设计，确定各个构件的尺寸，然后采用有限元软件MSC.Patran＆Nastran，选取该船船中处第2、3、4货舱内的主要构件建立三舱段有限元模型。按照《规范》的要求选定计算工况，合理施加各种设计载荷，确定边界条件等，对其船体结构强度进行有限元直接计算，重点分析中间货舱主要结构构件的强度，并与《规范》中的许用应力值进行比较，判断此船的强度是否达到规范的要求，并对不符合标准的构件和板材的尺寸进行加强。

在屈服强度计算完成后，根据《规范》对本船船中部位第3货舱（兼重压载舱）的主要结构构件进行板格屈曲强度的计算与评估。利用CCS_TOOLS插件进行屈曲强度分析，扣除腐蚀厚度，施加合理的边界条件，计算各个工况下板格的屈曲安全因子，然后与《规范》规定的安全因子进行比较。

屈服强度直接计算结果表明，在将纵向舱口围板加厚到16mm后，本船船中货舱结构的各种构件的强度都能满足《规范》的要求。板格屈曲强度计算结果表明，在将外底板加厚到17mm后，本船船中货舱结构的所有主要构件的板格都能满足《规范》对平板屈曲强度的要求。

本文为散货船的结构直接计算提供借鉴，为该类船舶缩短设计周期完善结构性能提供必要的参考和依据。

关键词：散货船；规范设计；有限元法；屈服强度；屈曲强度

Abstract

The hull structure of an offshore 37 000 DWT bulk carrier is analyzed as an application example.To begin with,the whole ship structural specifications are designed according to "Rules For Classification Of Sea-Going Steel Ships"(CCS 2015).Secondly,the main cabins of bulk carrier are chosen to build the three-dimensional model based on the MSC.Patran＆Nastran.According to the requirements of the rules,load cases,imposed loads and boundary conditions are to be determined.The anaiysis of primary structure members of the middle cargo hold is the key point.Finally the von Mises are compared with the permissible values.

After the yield strength calculations, the plate buckling strength calculations and evaluations of major structural components in parts of N3 on 37 000 DWT bulk carrier cargos are conducted to compare with the permissible safety factor by using CCS_TOOLS.

Yield strength direct calculation results show that the strength of the various components of the the ship structure meet the requirements after the longitudinal hatch coamings thickened to 16mm. Buckling strength calculation results show that the ship structure of all the main components can meet requirements of the rules after the bottom plate thickened to 17mm.

This paper provides reference for the direct calculation of the structure of bulk carriers and provides the necessary reference and basis for the improvement of the structure and performance of the similar ship.

Key Words：Bulk carrier; Standard design; Finite element method; Yield strength; Buckling strength

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究的目的及意义 2

1.4 本文主要工作 3

第2章 船体结构规范设计 4

2.1 概述 4

2.1.1 简介 4

2.1.2 主要尺度及参数 4

2.2 外板 4

2.2.1船底板、平板龙骨和舭列板 4

2.2.2 舷侧外板和舷顶列板 6

2.2.3 局部加强及外板开口 7

2.3 甲板 8

2.3.1 强力甲板 8

2.3.2 甲板边板 8

2.3.3 下层甲板 9

2.4 船底骨架 9

2.4.1 横骨架式双层底（#13~#37） 9

2.4.2 横骨架式单层底（#220~艏） 11

2.4.3 纵骨架式双层底 11

2.5 舷侧骨架 13

2.5.1 货舱区域 13

2.5.2 机舱区 14

2.5.3 舵机舱区 16

2.5.4 首尖舱 17

2.6 底边舱 18

2.6.1 斜板 18

2.6.2 斜板纵骨 18

2.6.3 底边舱其它纵骨 19

2.6.4 强肋骨 19

2.6.5 水密隔板 19

2.7顶边舱 20

2.7.1 斜板和舱口垂向列板 20

2.7.2 甲板纵骨、斜板纵骨和舷侧纵骨 20

2.7.3 横向支持构件 20

2.7.4 水密隔板 21

2.7.5 非水密隔板 21

2.8甲板骨架 21

2.8.1 甲板计算压头 21

2.8.2 甲板横梁 22

2.8.3 甲板纵桁(横骨架式) 22

2.8.4 甲板纵骨 23

2.8.5 舱口甲板纵桁 23

2.8.6 舱口端横梁 24

2.9支柱 24

2.9.1 艏楼内支柱 24

2.9.2 11450平台上支柱 25

2.9.3 机舱平台间支柱 25

2.9.4 7300平台下支柱 26

2.10 舱壁 27

2.10.1 艉封板（按深舱计）： 27

2.10.2 #13水密横舱壁（按深舱计）： 28

2.10.3 #37水密横舱壁（按深舱计）： 29

2.10.4 #72~#73、#108~#109、#142~#143、#178~#179槽型水密横舱壁 30

2.10.5 #215水密横舱壁（按深舱计）： 30

2.10.6 #220防撞舱壁： 31

2.10.7 艉~#12水密纵舱壁（按深舱计）： 31

2.10.8 #31~#37机舱纵舱壁（按深舱计）： 32

2.10.9 #215~#220水密纵舱壁（按深舱计）： 32

2.10.10 #220~艏制荡舱壁（按深舱计）： 33

2.11 船端加强 34

2.11.1 艏尖舱内的加强 34

2.11.2 船艏底部的加强 34

2.11.3 艉尖舱内的加强 36

2.12 艏艉柱 36

2.12.1 艏柱 36

2.12.2 艉柱 36

2.13 主机基座 36

2.14 上层建筑 37

2.14.1 艏楼 37

2.15 甲板室 38

2.15.1 甲板板 38

2.15.2 甲板骨架 39

2.15.3 甲板纵桁 39

2.16 舷墙及舱口围板 39

2.16.1 舷墙 39

2.16.2 舱口围板 40

第3章 屈服强度直接计算分析 42

3.1 船体有限元概述 42

3.2 实船资料 42

3.2.1 主尺度及主要参数 42

3.2.2 船舶结构形式与特点 42

3.3 有限元模型 43

3.3.1 模型范围 43

3.3.2 模型坐标系 44

3.3.3 单元与网格 44

3.3.4 材料参数 44

3.3.5 模型分组 44

3.3.6 单元属性 48

3.3.7 模型规模 55

3.4 载荷计算及边界条件 55

3.4.1 计算工况 55

3.4.2 压载水压力 56

3.4.3 货物压力 57

3.4.3 舷外水压力 60

3.4.4 端面弯矩 62

3.4.5 边界条件 63

3.5 主要应力结果及屈服强度评估 65

3.5.1 许用应力 65

3.5.2 应力计算结果 65

第4章 主要构件板格屈曲强度评估 86

4.1 概述 86

4.2 评估区域、方法和标准 87

4.3 板格定义 87

4.4. 各种构件板格屈曲强度的评估 87

4.4.1 外底板 87

4.4.2 内底板 88

4.4.3 底边舱斜板 89

4.4.4 主甲板 89

4.4.5 横甲板 90

4.4.6 顶边舱斜板 90

4.4.7 舷侧外板 91

4.4.8 顶边舱内纵舱壁 91

4.4.9 底纵桁 92

4.4.10 实肋板 92

4.4.11 底凳斜板 93

4.4.12 底凳垂直板 94

4.4.13 横舱壁处底边舱水密横隔板 94

4.4.14 横舱壁处顶边舱水密横隔板 95

4.4.15 底边舱和顶边舱的其他横隔板 95

4.5 屈曲评估结果 96

第5章 结论与展望 98

5.1 结论 98

5.2 展望 98

参考文献 100

致 谢 101

第1章 绪论

1.1引言

航运运输随着全球化经济的发展日益昌盛，散货船由于载重吨大、装载货物范围广和运费较低等特点受到了广大航运公司的青睐，成为国际航运市场的主力船型，散货船运输占所有货物运输的30% 以上。

散货船主要运输干散货产品如煤炭、矿石及木材等，货物一般是均质的，可以直接在货舱内装载而不需要其他形式的包装。散货船的种类较多，最常用的分类方法是按载重量大小分为2万～6万吨灵便型、6万～8万吨巴拿马型、10万～18万吨好望角型和20万吨以上超大型四种代表船型^[1]。随着船舶工业的快速发展，船舶设计和制造水平的提高和码头港口设施的扩大和改进，散货船逐步朝大型化和专用化发展，新的材料和建造方法日益增多，要求船舶更加安全可靠。

近几十年来，散货船的海损事故的出现增多。根据国际船级社协会（IACS）和各船级社的统计报告，主要原因是结构损坏和本身强度不足。由于散货船特殊的结构形式、多样的运载货物以及使用大型机械设备进行卸货，存在多处相对薄弱的结构区域。同时船舶在航行时会收到相当复杂的外力，并且随机动态变化。所以这些相对薄弱的结构在遭遇恶劣海或况运载重货时，都有可能发生结构的破坏^[2]。由于散货船船体损伤导致的沉船事故越来越多，散货船的安全性问题引起了人们的广泛关注。对散货船的结构强度进行校核可保证船体结构强度上的要求，可有效的防止结构失效。因此，新造和已投入使用的船舶的结构强度必须进行校核，从而确保散货船的航行安全。

1.2国内外研究现状

船体强度是研究船体结构安全性的科学，是指船体结构抵抗破坏或变形的能力，包括船体的总纵强度、横向强度和局部强度^[3]。